Analyse und Implementierung dedizierter mathematischer Funktionseinheiten zur Erweiterung einer Mikrokontroller-Architektur

Am Fachgebiet „Architekturen und Systeme“ des Instituts für Mikroelektronische Systeme werden VLSI-Architekturen für Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung konzipiert und implementiert. Vor diesem Hintergrund beteiligt sich das IMS am GEBO-Forschungsprojekt des Landes Niedersachsen. Das Ziel des Projekts ist, die Schwierigkeiten geothermaler Bohrungen in Niedersachen zu identifizieren und entsprechende Lösungen zu erarbeiten. Die im Rahmen dieses Projekts am IMS bearbeitete Aufgabenstellung ist unter anderem der Entwurf eines Architekturkonzepts für die digitale Signalverarbeitung im Bohrkopf bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 250°C.Bei diesen Umgebungstemperaturen können integrierte Schaltungen basierend auf herkömmlichen Si-bulk-Technologien, wie sie derzeit in der Unterhaltungselektronik oder dem Automotive-Bereich Verwendung finden, nicht eingesetzt werden. Daher existieren für Temperaturen jenseits von 180°C angepasste Silicon-On-Insulator (SOI) Technologien. Sie bergen aber derzeit den Nachteil, dass integrierte Schaltungen nur in Strukturgrößen von 1,0µm bzw. 0,8µm realisiert werden können. Dieses schränkt die erreichbare Komplexität und Geschwindigkeit der Schaltung stark ein.Vorausgegangene Untersuchungen haben ergeben, dass die derzeitige Realisierung der Signalverarbeitungsverfahren in der Bohrtechnik aus Performance-Gründen nicht für den Hochtemperaturbereich eingesetzt werden kann. Um trotz dieser Einschränkungen die Bohrkopfsteuerung untertage zu realisieren, wird in dieser Arbeit eine in der Industrie übliche 8-bit Mikrokontroller-Architektur um mathematische Beschleunigungseinheiten erweitert. Anschließend wird die Auswirkung dieser Erweiterungen bewertet.Daher sollen zuerst jeweils geeignete Approximationsverfahren zur Berechnung elementarer Funktionen wie der Wurzelfunktion oder der Arcustangensfunktion ausgewählt werden.Anschließend sollen diese Verfahren mit Hilfe der Hardwarebeschreibungssprache VHDL als einzelne Funktionseinheiten in eine Emulationsumgebung integriert werden, welche auf dem „Gator μProcessor“-Projekt der University of Florida basiert. Eine vorausgehende Adaption des Projekts auf ein Altera Cyclon II Development Board ist entsprechend vorzunehmen. Die Integration der Funktionseinheiten umfasst auch eine Lösung zur effizienten Unterstützung dieser Einheiten durch den C-Compiler bzw. Assembler. Zur Sicherstellung einer fehlerfreien Implementierung ist ein geeignetes Verifikationsverfahren zu erarbeiten und anzuwenden.